• Geomechanics and Engineering
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• 제35권5호
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• pp.487-497
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• 2023

Penetration rate (PR) and penetration depth (Pe) are crucial parameters for estimating the cost and time required in tunnel construction using tunnel boring machines (TBMs). This study focuses on investigating the impact of rock strength on PR and Pe through full-scale experiments. By conducting controlled tests on rock-like specimens, the study aims to understand the contributions of various ground parameters and machine-operating conditions to TBM excavation performance. An earth pressure balanced (EPB) TBM with a sectional diameter of 3.54 m was utilized in the experiments. The TBM excavated rocklike specimens with varying uniaxial compressive strength (UCS), while the thrust and cutterhead rotational speed were controlled. The results highlight the significance of the interplay between thrust, cutterhead speed, and rock strength (UCS) in determining Pe. In high UCS conditions exceeding 70 MPa, thrust plays a vital role in enhancing Pe as hard rock requires a greater thrust force for excavation. Conversely, in medium-to-low UCS conditions less than 50 MPa, thrust has a weak relationship with Pe, and Pe becomes directly proportional to the cutterhead rotational speed. Furthermore, a strong correlation was observed between Pe and cutterhead torque with a determination coefficient of 0.84. Based on these findings, a predictive model for Pe is proposed, incorporating thrust, TBM diameter, number of disc cutters, and UCS. This model offers a practical tool for estimating Pe in different excavation scenarios. The study presents unprecedented full-scale TBM excavation results, with well-controlled experiments, shedding light on the interplay between rock strength, TBM operational variables, and excavation performance. These insights are valuable for optimizing TBM excavation in grounds with varying strengths and operational conditions.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제22권1호
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• pp.135-144
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• 2020

국내에서 TBM 공법을 활용한 터널건설 시 점차 건설심도가 깊어지고 있으며, 이로 인해 상부 지반조사 단계에서 충분한 예측 정확도를 획득하기 위해서는 시추조사 및 물리탐사 비용이 증가하게 된다. 이러한 문제를 극복하기 위해 터널 시공 중 터널 굴착면 전방 예측을 위한 방법들이 제시되었다. 프로브 드릴링을 활용한 굴착면 전방 예측은 코어회수, 시추공 내부 이미지 등을 활용할 수 있는 장점이 있지만 실제 TBM 내에 설치가 어렵고 터널 막장 전체가 아닌 국부적인 지반만을 파악할 수 있다. TSP 등 탄성파를 활용한 방법은 100 m 이상의 긴 탐사거리를 가지지만 신호발생을 위해 발파를 사용하므로 세그먼트 라이닝, 백필 등의 안정성에 영향을 미칠 수 있다. TEPS를 포함한 전자기파 탐사는 지하수 층 등 전도성 있는 이상대를 파악하는 데 적합하지만 소구경 TBM에 설치할 수 있는 전극의 개수가 한정적이며 이는 탐사 범위의 감소 등을 야기한다. 본 연구에서는 전기비저항 탐사 시 굴착면에 설치되는 전극의 개수를 최소화하기 위해 TBM의 굴착면과 측면에 전극이 설치되었을 때에 대한 탐사 이론식을 제시하고 실내실험을 통해 검증하였다.

• 터널과지하공간
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• 제28권6호
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• pp.513-527
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• 2018

TBM은 사전에 예측하지 못한 지반조건의 변화에 대한 대응력이 재래식 공법과 비교할 때 상대적으로 낮기 때문에, 설계단계에서 TBM의 사전 성능예측과 공사기간 산정을 위한 굴진율 예측이 매우 중요하다. 기존 연구에서 구축된 211개의 TBM 데이터베이스에 신규 데이터를 추가하여 TBM의 핵심 제작 사양인 최대 추력, 커터헤드 최대 토크 및 회전속도, 커터헤드 구동력 사이의 상관관계를 지반조건에 따라 분석하였다. 기존 연구들에서와 같이 TBM의 최대추력, 최대토크, 구동력과 같은 기본 제작사양을 추정하는 데 있어 TBM 외경은 매우 중요한 정보임을 확인할 수 있었다. 국외의 TBM 데이터베이스로부터 도출된 회귀식과 본 연구로부터 얻어진 회귀식을 비교한 결과, 최대추력의 경우는 유사한 경향을 보였으나, 대단면 TBM에서 본 연구의 회귀식에서 추정된 최대토크가 국외의 회귀식보다 더 높게 추정하는 경향이 나타났다.

• Structural Engineering and Mechanics
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• 제89권1호
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• pp.47-59
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• 2024

In this study, a new sustainable material was proposed to prepare precast tunnel lining segments (TLS), which were produced using a fiber-reinforced slag-based geopolymer composite. Slag was used as the geopolymer binder. In addition, polypropylene and carbon fibers were added to reinforce TLSs. TLSs were examined in terms of flexural performance, load-deflection response, ductility, toughness, crack characteristics, and tunnel boring machine (TBM) thrust force. Simultaneously, numerical simulation was performed using finite element analysis. The mechanical characteristics of the geopolymer composite with a fiber content of 1% were used. The results demonstrated that the flexural performance and load-deflection response of the precast TLSs were satisfactory. Furthermore, the numerical results were capable of predicting and realistically capturing the structural behavior of precast TLSs. Therefore, fiber-reinforced slag-based geopolymer composites can be applied as precast TLSs.

• 한국지반공학회지:지반
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• 제11권1호
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• pp.51-62
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• 1995

1985년 국내에 처음으로 TBM(tunnel boring machine) 공법이 도입된 이래, 최근 그 사용이 급격히 증가하여 전세계 TBM 보유율의 27%를 차지하게 되었으며 상당한 시공실적도 가지게 되었다. 그러나 TBM 공법에 의한 많은 시공실적에도 불구하고 TBM의 굴착효율을 증진시키기 위한 연구는 미흡한 편이다. TBM 공법의 굴착효율에 영향을 미치는 인자로는 기계적 요인, 지반공학적 요인과 현장운영 상의 요인을 들 수가 있다. 이때까지의 굴착효율을 높이기 위한 연구는 주로 기계적 요인의 개선방안에 대해서 중점적으로 다루이져 왔지만 지반공학적 요인도 매우 중요하며 암반이 갖고 있는 물리적 특성에 따라서 사전에 TBM 공법의 적용여부를 판단할 수 있으며, 또한 현장 암반조건에 적합한 TBM 종류를 선택할 수도 있다. 본 논문의 목적은 실제 TBM 공법 적용 현장에서 얻어진 암반에 대한 자료와 제반 TBM 굴착작업과의 관계를 분석하고, 암반조건에 따른 TBM 굴착효과를 구명하고자 하였다.

• 터널과지하공간
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• 제33권4호
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• pp.244-254
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• 2023

TBM에 장착되어 암석을 절삭하는 디스크커터에는 암반을 굴착하는 과정에서 세 방향의 절삭력이 작용한다. 일반적으로 디스크커터의 절삭력은 굴착대상암반의 강도에 따라 증가하는 것으로 알려져 있고, 디스크커터가 여러 원인에 의해 정상적으로 회전이 이루어지지 않는 경우에는 회전력이 급격하게 증가할 수 있다. 따라서 굴착 도중 디스크커터에 작용하는 절삭력은 굴착의 대상이 되는 암반의 상태나 디스크커터의 절삭상태를 나타내는 중요한 정보가 될 수 있다. 이러한 이유로 해외를 중심으로 디스크커터의 작용력을 실시간으로 측정하기 위한 기술의 개발이 이루어지고 있으며, 본 연구에서는 현재까지 해외의 문헌을 통해 보고되고 있는 TBM 디스크커터의 하중계측에 관한 연구현황에 대하여 소개하고자 하였다. 향후 국내에서도 유사한 기술의 개발이 이루어지는 경우에 유용한 참고자료가 될 수 있을 것으로 판단된다.

• Geomechanics and Engineering
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• 제37권3호
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• pp.223-241
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• 2024

Evaluating the performance of Tunnel Boring Machines (TBMs) stands as a pivotal juncture in the domain of hard rock mechanized tunneling, essential for achieving both a dependable construction timeline and utilization rate. In this investigation, three advanced artificial neural networks namely, gated recurrent unit (GRU), back propagation neural network (BPNN), and simple recurrent neural network (SRNN) were crafted to prognosticate TBM-rate of penetration (ROP). Drawing from a dataset comprising 1125 data points amassed during the construction of the Alborze Service Tunnel, the study commenced. Initially, five geomechanical parameters were scrutinized for their impact on TBM-ROP efficiency. Subsequent statistical analyses narrowed down the effective parameters to three, including uniaxial compressive strength (UCS), peak slope index (PSI), and Brazilian tensile strength (BTS). Among the methodologies employed, GRU emerged as the most robust model, demonstrating exceptional predictive prowess for TBM-ROP with staggering accuracy metrics on the testing subset (R² = 0.87, NRMSE = 6.76E-04, MAD = 2.85E-05). The proposed models present viable solutions for analogous ground and TBM tunneling scenarios, particularly beneficial in routes predominantly composed of volcanic and sedimentary rock formations. Leveraging forecasted parameters holds the promise of enhancing both machine efficiency and construction safety within TBM tunneling endeavors.

• 문화기술의 융합
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• 제6권3호
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• pp.369-375
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• 2020

본 연구의 검토대상 구간은 전력구 시공을 위한 쉴드 TBM 굴착 도중 터널 막장면을 통해 지하수 유출이 발생한 구간이다. 따라서 공사 전부터 지하수위의 변화가 발생되는 시점까지의 상황을 분석하기 위해 공사 중 관찰된 지하수위 변화를 토대로 주변 지반현황을 반영하여 3차원 수치해석을 수행하였다. 이를 통해 현장 주변에서 발생한 지하수위 변화와 터널공사의 상관성을 파악하였다. 본 연구의 수치해석결과는 대상지반에서 측정된 지하수위 계측결과와 유사하며 쉴드 TBM 막장면으로의 지하수 유출량 또한 실제 측정결과와 유사한 수준으로 나타나 본 연구에서 설정한 수치해석 방법과 모델링은 현장여건을 잘 반영하는 것으로 분석되었다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제26권1호
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• pp.39-58
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• 2024

TBM (Tunnel boring machine)은 터널 굴착 과정에서 여러 디스크 커터를 이용하여 암석을 절삭한다. 디스크 커터는 암석과의 지속적인 접촉과 마찰로 인해 마모된다. 디스크 커터의 표면이 마모되면 절삭 능력이 감소하고 굴착 효율이 떨어진다. 암석의 마모성은 디스크 커터 마모에 큰 영향을 미친다. 높은 마모도를 가진 암석은 커터에 더 큰 마모를 일으키며, 이는 디스크 커터의 수명을 단축시킨다. 세르샤 마모지수(Cerchar abrasivity index, CAI)는 암석의 마모성을 평가하는데 널리 사용되는 지표로 CAI는 암석의 마모특성을 나타내며, 디스크 커터의 수명과 성능 예측에 필수적인 요소로 인식되고 있다. 본 연구의 목적은 암석의 강도, 암석학적 특성과 선형회귀, 머신러닝 기법을 이용하여 CAI를 효과적으로 추정하는 새로운 방법을 개발하는 것이다. 문헌 조사를 통해 CAI, 일축압축강도, 압열인장강도, 등가석영함량이 포함된 데이터베이스를 구축하고 파생변수를 추가하였다. 통계적 유의성과 다중공선성을 고려하여 다중선형회귀분석을 위한 입력변수를 선정하였고, 머신러닝 모델의 입력변수는 변수중요도 분석을 통해 선정하였다. 머신러닝 예측모델 중 Gradient Boosting 모델의 예측 성능이 가장 높게 나타나 최적의 CAI 예측 모델로 선정되었다. 마지막으로 본 연구에서 도출한 다중선형회귀분석과 Gradient Boosting 모델의 예측 성능을 선행연구들의 CAI 예측모델과 비교하여 연구 결과의 타당성을 확인하였다.

• KEPCO Journal on Electric Power and Energy
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• 제6권3호
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• pp.305-313
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• 2020

전력송전을 위한 터널식 전력구는 점차 시공실적이 증가하고 있는 추세이며, 해저 및 대심도 등 시공환경이 어려운 구간의 건설도 증가하고 있다. 이에 소단면 쉴드TBM의 효율적 운영을 위해 굴진율 및 설계모델이 필요하다. 그러나, 제한된 지반조사 회수 및 굴착면 맵핑으로 인하여 암반특성과 굴진데이터를 정확히 매칭시켜 상호간 상관관계 및 굴진율 모델을 도출하는데 어려움이 있다. 이에 소단면 쉴드TBM에 적합한 굴진율 및 설계모델을 제시하기 위하여 커터헤드의 직경이 3.56 m인 실험용 EPB 쉴드TBM을 제작하고, 총 부피 87.5 ㎥인 인공암반 내에서 총 19번의 실대형 굴진실험을 수행하였다. 본 실험은 70MPa의 균질한 암반강도에서 수행되었기 때문에 운전변수인 추력과 커터헤드의 RPM에 따른 굴진율과 기계데이터간 상관관계를 효율적으로 분석할 수 있으며, 실제 굴착메커니즘과 동일하기 때문에 도출된 압입깊이와 토크값은 활용성이 높다. 본 연구를 통해 디스크커터 당 연직력과 압입깊이의 상관관계 및 연직력과 회전력의 상관관계를 도출하였다. 이러한 상관관계들을 이용하여 70 MPa급 암반에 대해 굴진율 예측과 TBM 설계가 가능할 것으로 판단한다. 또한, 인공암반의 RQD가 100%로 현장적용에 대한 한계점에 대해 FPI의 개념을 도입하여 굴진율 모델의 활용성을 증대시키고자 하였다.